Små partikler kan skifte frem og tilbage mellem faser

Tre år siden, når Richard Robinson, lektor i materialevidenskab og teknik, var på sabbatår på Hebrew University i Israel, han bad en kandidatstuderende om at sende ham nogle nanopartikler af en bestemt størrelse.

"Da de kom til mig, Jeg målte dem med spektrometeret og sagde:'Vente, du sendte mig de mindre partikler i stedet for de større.' Og han sagde, 'Ingen, Jeg sendte dig de større, '" husker Robinson, af hans samtale med sin rådgiver Curtis Williamson, en ph.d.-studerende i kemi- og biomolekylær teknik. "Vi indså, at de måtte have ændret sig, mens de var på flugt. Og det udløste en kaskade af spørgsmål og eksperimenter, der førte os til denne nye opdagelse."

De udledte, at partiklerne havde forvandlet sig under deres rejse fra Ithaka til Jerusalem. Denne erkendelse førte til opdagelsen af ​​uorganisk isomerisering, hvor uorganiske materialer er i stand til at skifte mellem diskrete tilstande næsten øjeblikkeligt - hurtigere end lydens hastighed. Fundet bygger bro mellem det, der er kendt om faseændringer i organiske molekyler, som dem, der gør syn muligt, og i bulkmaterialer, ligesom overgangen af ​​grafit til diamanter.

Deres fund var overraskende, fordi det antydede, at uorganiske materialer kunne transformere sig som organiske molekyler, sagde Robinson, medforfatter til avisen, "Kemisk reversibel isomerisering af uorganiske klynger, " som udgav 15. februar i Videnskab .

"Vi fandt ud af, at hvis du krymper uorganisk materiale lille nok, den kan nemt hoppe frem og tilbage mellem to adskilte faser, initieret af små mængder alkohol eller fugt på overfladen, " sagde Robinson. "På flyveturen må der have været fugt i fragtspanden, og prøverne skiftede fase."

Williamson er avisens første forfatter. Senior forfattere er Robinson; Tobias Hanrath, lektor ved Smith School of Chemical and Biomolecular Engineering; og Uri Banin, professor i kemi ved Hebrew University. Douglas Nevers, Ph.D. '18, Andrew Nelson, doktorand i materialevidenskab og teknik, og Ido Hadar fra Hebrew University bidrog også.

"Vi slog bro mellem de to verdener mellem store materialer, der ændrer sig langsommere, og små, organiske materialer, der kan vende frem og tilbage sammenhængende, mellem to stater, " sagde Robinson. "Det er overraskende, at vi så en øjeblikkelig transformation fra en tilstand til en anden i et uorganisk materiale, og det er overraskende, at det indledes med en simpel overfladereaktion."

Isomerisering - transformation af et molekyle til et andet molekyle med de samme atomer, bare i et andet arrangement – ​​er almindeligt i naturen. Ofte er det udløst af tilførsel af energi, som når lys får et molekyle i nethinden til at skifte, muliggør vision; eller hvordan olivenolie, ved for høj opvarmning, isomeriserer til den usunde form kendt som et transfedtstof. Bulkmaterialer såsom grafit kan også ændre faser, men de kræver meget mere energi end på molekylært niveau, og ændringen sker mere gradvist, med ændringen, der spreder sig over stoffet snarere end en øjeblikkelig transformation.

I fortiden, større nanopartikler viste sig at ændre faser på en måde, der var tættere på, hvordan bulkmaterialer ændrede sig end på molekyler. Men da Cornell-teamet så på endnu mindre klynger af atomer ved Cornell High Energy Synchrotron Source (CHESS), de observerede det hurtige skifte mellem diskrete tilstande for første gang.

"Vi ser nu endelig, at der er et nyt regime, hvor du kan skifte fra en stat til en anden med det samme, " sagde Hanrath. "Hvis du gør dem små nok, de uorganiske materialer kan let vende frem og tilbage. Det er en åbenbaring."

Robinson sagde, at forskerne ikke ville have været i stand til præcist at bestemme atomernes positioner uden CHESS, hvor de udførte totalspredningsforsøg, hvor de undersøgte alle røntgenspredninger i klyngen, gør dem i stand til at lokalisere atomernes placering.

De blev også hjulpet af en ny teknik, de udviklede til at skabe klynger i magisk størrelse - såkaldte, fordi de har det "perfekte" antal atomer, og der ikke kan tilføjes flere individuelle atomer, gør dem ekstremt stabile.

"Vi var i stand til at komme op med en meget ren, magisk klynge, " sagde Robinson. "På grund af det, når det reagerer med alkoholen eller vandet, ser du en meget ren transformation" fra en diskret tilstand til en anden.

Selvom der er behov for yderligere forskning, mulige fremtidige anvendelser omfatter brug af disse partikler som switche i computere eller som sensorer, sagde Robinson. Opdagelsen kan også have anvendelser i forbindelse med kvanteberegning eller som et frø til generering af større nanopartikler.